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作者：
申純太 譚福生 楊軍
上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院
挑戰(zhàn)：
需要 CompactRIO 同時控制多個設(shè)備運(yùn)動。2 根 5 自由度機(jī)械臂運(yùn)動，頭部 1 自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，雙主動輪底盤運(yùn)動控制。CompactRIO 內(nèi)要部署機(jī)械臂運(yùn)動控制算法，LIDAR 數(shù)據(jù)采集和導(dǎo)航避障算法，基于編碼器和光雷達(dá)數(shù)據(jù)以及 FPGA的移動位置控制算法等。
應(yīng)用方案：
將機(jī)器人的功能進(jìn)行劃分為兩部分。將雙 5 自由度機(jī)械臂運(yùn)動，頭部 1 自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，雙主動輪底盤的運(yùn)動，光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集處理和編碼器數(shù)據(jù)采集，自主導(dǎo)航，輪椅模式切換判斷，機(jī)器人體表 LED 狀態(tài)情感或信息顯示，電池電源管理等基本行為和設(shè)備層控制歸為一部分，由“小腦”控制；將家庭智能家居網(wǎng)絡(luò)交互，其他智能機(jī)器人監(jiān)控，語音識別對話和人臉識別的人機(jī)交互功能等歸為一部分，由“大腦”控制。
使用的產(chǎn)品：
NI-cRIO9024
cRIO-9113
NI 9403
NI 9205
NI 9264
NI 9485
LabVIEW 2009 RT，F(xiàn)PGA
介紹：
本方案的背景是國家 863 多機(jī)器人系統(tǒng)控制項目的一個主角，家居監(jiān)控機(jī)器人，它的設(shè)計概念主要是面向未來老年家庭，負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控家居環(huán)境中的各種家電，具有語音和人臉識別等人機(jī)交互功能，具有雙機(jī)械臂完成一些取物、遞送等任務(wù)，并且可以作為智能輪椅載人移動。在 2010 世博會滬上生態(tài)家案例館中展出。
正文：
選用 NI CompactRIO作為機(jī)器人的“小腦”。NI CompactRIO是美國 NI公司的工業(yè)級嵌入式控制器，集成以太網(wǎng)接口和 RS232串行接口，具有體積小，高可靠性，高性能，低功耗等優(yōu)點。
圖 1主控制器Compact RIO 的安裝位置
將各種設(shè)備的控制算法例如機(jī)械臂運(yùn)動控制，頭部運(yùn)動控制，導(dǎo)航算法，基于以太網(wǎng)的光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集，與大腦通訊等程序部署在 RT 中；將數(shù)字信號采集，例如限位開關(guān)和緊急停止邏輯還有編碼器數(shù)據(jù)采集和處理，地盤運(yùn)動伺服控制等算法部署在 FPGA中。
選用工業(yè)嵌入式觸摸平板電腦 IPC 作為機(jī)器人的“大腦”。部署 WinCE，具有人機(jī)界面功能以及觸摸屏交互功能，部署控制人臉識別模塊以及語音識別算法，智能家居監(jiān)控管理算法等。
用 FSM來封裝每個設(shè)備對象：
Finite-state machine (FSM)稱為有限狀態(tài)機(jī)廣泛用于數(shù)字電路和計算機(jī)程序。我們使用了兩種狀態(tài)機(jī)來封裝設(shè)備。String Based Queued State Machine基于字符串隊列狀態(tài)機(jī)和普通基于枚舉的狀態(tài)機(jī)。使用狀態(tài)機(jī)作為一種機(jī)制來處理單個設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，或者說，用狀態(tài)機(jī)這種行為模型來用于單個設(shè)備的事件處理。
圖 2 LIDAR 狀態(tài)機(jī)
例如光雷達(dá)的狀態(tài)機(jī)框圖，它具有 4個狀態(tài)，Idle，Start，Running，Stop。在 Running狀態(tài)中，程序不斷向光雷達(dá)發(fā)送指令讀取數(shù)據(jù)，然后由一個 Shared Variable來傳出數(shù)據(jù)。使用一個 LIRAR.vi來封裝這個狀態(tài)機(jī)。
圖 3是一個遠(yuǎn)程控制指令解析狀態(tài)機(jī)，它使用 String Based Queued State Machine 來實現(xiàn)。這樣的好處是，可以使用隊列來組織動作，較為靈活地實現(xiàn)各種不同組合以及復(fù)雜度。
每一個設(shè)備的狀態(tài)機(jī)都用一個獨立的 vi來封裝，并且單獨進(jìn)行測試，這樣也有利于工程化。
多狀態(tài)機(jī)的協(xié)作：
單個狀態(tài)機(jī)只能完成部分功能，我們需要把所有設(shè)備狀態(tài)機(jī)集成起來，按照一定的通訊機(jī)制拼裝成一個完整的機(jī)器人。
由于所有的設(shè)備狀態(tài)機(jī)都由一個 VI 來封裝，只需要把他們拖入一個主 vi 中，就能調(diào)用他們。如圖所示：
圖 4狀態(tài)機(jī)集成
狀態(tài)機(jī)之間是通過 Shared Variable 來實現(xiàn)接受外部指令輸入以及自身狀態(tài)輸出的。同樣，這些Shared Variable都用一個 VI進(jìn)行封裝以便進(jìn)行管理。
這樣，一個狀態(tài)機(jī)便可視為一個子系統(tǒng)。既然是系統(tǒng)，自然有系統(tǒng)的輸入和輸出，通過 get，set 等方法的 vi，外部系統(tǒng)便可對這些子系統(tǒng)進(jìn)行操作或者交互。如圖所示，底盤狀態(tài)機(jī)使用 getCommand.vi方法獲取外部命令。
圖 5 getCommand.vi
使用 setCommand.vi方法讓外部系統(tǒng)傳輸命令給地盤狀態(tài)機(jī)。
圖 6 MobileBase.lvlib:setCommand.vi
底盤使用 sendState.vi發(fā)送底盤狀態(tài)機(jī)狀態(tài)信息。如圖所示：
圖 7 MobileBase.lvlib.sendState.vi 使用 getState.vi方法獲取地盤狀態(tài)機(jī)信息。
圖 8 getState.vi
圖 9 家居監(jiān)控機(jī)器人定位導(dǎo)航軟件控制框圖
總體設(shè)計
針對移動機(jī)器人家居環(huán)境下的定位問題，提出了一種結(jié)合平直線段匹配、角匹配和里程計的組合定位方法。該系統(tǒng)采用了 Labview 開發(fā)平臺和 CompactRIO 控制器，得到了很好的實時性效果。機(jī)器人首先通過二維激光測距儀通過 TCP/IP 得到環(huán)境點信息，然后通過迭代適應(yīng)點（IEPF）算法得到環(huán)境線段及最小二乘法得到線段參數(shù)。在基于線段基礎(chǔ)上，得到局部的平直線段和角特征，再與已知平直線段和角特征做匹配，通過平直線段和角匹配算法實時更新機(jī)器人位置和姿態(tài)。分析里程計定位、平直線段匹配定位和角匹配定位的誤差，分配不同的權(quán)重得到優(yōu)化的組合定位算法。
軟件控制框圖
基于以上的設(shè)計，定位導(dǎo)航的軟件控制模塊設(shè)計如圖 7所示。中心模塊為定位導(dǎo)航模塊，該模塊讀取起點、目標(biāo)點、運(yùn)動模式數(shù)據(jù)及編碼器數(shù)據(jù)，同時讀取激光測距儀數(shù)據(jù)提取角、平直線段特征和已知特征做匹配，其匹配算法輸出機(jī)器人位姿 。對于給定的目標(biāo)位姿，該模塊將計算出驅(qū)動指令
（Forward Speed、Delta angle、Turnspd Right、Turnspd Left對應(yīng)前進(jìn)速度、方向轉(zhuǎn)角、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）和狀態(tài)信息如（bPos, bAngle）來判斷機(jī)器人是否到達(dá)目標(biāo)位置和姿態(tài)。
圖 10 家居監(jiān)控機(jī)器人定位導(dǎo)航的輸入輸出信息部分
圖 10 為定位導(dǎo)航模塊部分的輸入輸出部分，上半部分的輸入信息中的已知角特征和全局線段為為已知地圖信息，下半部分的部分輸出信息包括直線段提取示意圖，路徑任務(wù)數(shù)組信息圖，實時顯示的機(jī)器人當(dāng)前位置信息、速度信息等。
線段特征提取
為得到環(huán)境的幾何線段信息，需要對激光測距儀的點集進(jìn)行分割，其分割算法可分為下列步驟：坐標(biāo)變換、區(qū)域分割、IEPF 線段提取和最小二乘法計算線段參數(shù)。其中區(qū)域分割：從初始點 i=0 開始檢測兩相鄰點 的距離，如距離值小于閾值 D，則認(rèn)為屬于同一區(qū)域點集，否則開始一個新的區(qū)域。該過程遍歷所有點集。如果某區(qū)域點數(shù)目小于 4 個，則認(rèn)為噪聲區(qū)域，舍棄這些噪聲點。
圖 11 IEPF 線段提取
IEPF提取線段：對于上述得到區(qū)域可能含有多條線段，IEPF線段提取算法是一種有效的線段提取
方法。如圖 11所示， Pm點到線段 PsPe的距離大于閾值 T，該方法把點集
  IEPF為迭代算法，對于 重復(fù)上述的算法知道 小于閾值T。該算法也有分割過細(xì)的時候，如圖 9右半部中間兩條線段可通過檢查線段參數(shù)的辦法，對于斜率傾角誤差小于一定閾值的線段加以合并處理。線段參數(shù)可通過最小二乘法計算求得。
如圖 12所示為通過Labview實現(xiàn)的 IEPF算法的區(qū)域分割算法，其中子 VI 為 IEPF算法分割出的子區(qū)域。
圖 12 包含 IEPF 算法的區(qū)域分割算法
具體組合定位算法可參考作者的另一篇發(fā)表在 IEEE ICIA2010 題為《A Corner and Straight line Matching Localization Method for Family Indoor Monitor Mobile Robot》的論文。
原型機(jī)照片：
圖 13 家居監(jiān)控機(jī)器人在世博滬上生態(tài)家
總結(jié)：
使用 CompactRIO作為機(jī)器人主控制器配有集成的 FPGA的支持，具有性能優(yōu)越，體積小，安全可靠，低功耗等特點，并且，數(shù)據(jù)采集能力和通訊能力強(qiáng)大，非常適合移動機(jī)器人的原型開發(fā)。
可以基于 LabVIEW 來開發(fā)機(jī)器人程序，相比字符代碼程序，圖形 G語言程序可以用圖形來閱讀，有利于理解和調(diào)試，再者 LabVIEW仍舊可以運(yùn)用很多軟件工程方法，使得它具有自己獨特的優(yōu)勢。
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